Rancang Bangun Inverter Multipulsa untuk Beban Penerangan

1
Rancang Bangun Inverter Multipulsa
untuk Beban Penerangan Rumah Tangga Jenis Lampu Pijar
M. Zaenal Effendi ¹, Suryono ², Sudarminto S 3
1
Dosen Jurusan Teknik Elektro Industri
² Dosen Jurusan Teknik Elektro Industri
3
Mahasiswa D4 Jurusan Teknik Elektro Industri
Politeknik Elektronika Negeri Surabaya – ITS
Kampus ITS Sukolilo,Surabaya 60111
Email: [email protected]
Abstrak
Sistem catu daya cadangan sebagai sumber alternatif tegangan untuk suplai beban rumah tangga pada proyek akhir
ini dirancang agar mampu menjaga tegangan keluaran tetap konstan sesuai pada ratingnya sebesar 220V pada saat terjadi
perubahan beban ataupun saat terjadi penurunan tegangan masukan (dari accu). Sistem catu daya cadangan ini terdiri dari
baterai accu 24 V, boost konverter penaik tegangan DC menjadi 100V, inverter perubah tegangan DC 100V menjadi AC
70V, trafo step up 70V ke 220V serta mikrokontroler AT-mega16 sebagai pembangkit PWM boost dan inverter serta sebagai
kontrol proportional intregal (PI). Kontrol PI ini mengatur penyulutan pada IGBT boost konverter untuk mengatur tegangan
keluaran sistem. Dari pengujian system yang telah dirancang, tegangan keluaran system hanya mampu sampai 130V, hal
tersebut karena drop yang cukup besar yang terjadi pada sisi trafo. Sehingga diambil nilai setpoint 125V dengan parameter
controller Kp= 0.5 dan Ki= 0.015 pada beban maksimal 100W/220V
Kata Kunci : Catu daya cadangan, Boost Converter, Inverter multipulsa, Trafo Step Up, Kontrol PI
I. PENDAHULUAN
Pemadaman aliran daya listrik yang terjadi dari
PT. PLN Persero (PLN) ke konsumen biasanya
disebabkan oleh gangguan-gangguan pada sistem
jaringan listrik sehingga sumber aliran listrik ke
konsumen terputus. Untuk mengatasi terputusnya
aliran listrik dari PLN khususnya pada rumah tangga
maka sangat diperlukan adanya suatu peralatan yang
mampu bekerja mencatu daya listrik sementara
sebagai pengganti dari PLN. Pada proyek akhir ini,
membuat cadangan power supply sebagai peralatan
yang digunakan sebagai pengganti sumber dari PLN
jika terputus atau terjadi pemadaman sementara.
Cadangan power supply ini terdiri dari beberapa
bagian diantaranya: Baterai accu sebagai sumber
tegangan, boost konverter sebagai penaik tegangan
Direct Current (DC), inverter sebagai pengubah
tegangan DC menjadi Alternating Current(AC), trafo
step up sebagai penaik tegangan AC menjadi 220
Volt.. Untuk mengatur agar tegangan keluaran dari
trafo sesuai pada ratingnya maka diperlukan
Proportional Integral (PI) kontroller berbasis
mikrokontroler menggunakan ATmega16. Pengaturan
tegangan keluaran dari tranformer ini dilakukan
dengan mengatur tegangan keluaran dari boost
konverter yang diatur melalui kontrol PI. Pengaturan
ini bertujuan apabila terjadi penurunan atau penaikan
tegangan sumber maka tegangan keluaran dari sistem
cadangan power supply ini tetap terjaga sesuai
ratingnya 220 V. Tegangan keluaran dari trafo ini
digunakan untuk mencatu beban penerangan rumah
tangga, ketika sumber dari PLN sedang terputus atau
terjadinya pemadaman.
II. KONFIGURASI SISTEM
Gambar 1. Blok diagram sistem
Blok diagram diatas merupakan sistem
cadangan power supply sebagai pengganti sumber
tegangan saat aliran listrik dari PLN terputus/padam.
Tegangan dari aki 24 Vdc dinaikkan menjadi 100 Vdc
melalui boost konverter. Kemudian dikonversi
menjadi tegangan AC sebesar 70 Vac. Tegangan
keluaran dari inverter dinaikkan menjadi 220 Vac oleh
trafo step up, kemudian digunakan untuk mensuplai
beban penerangan rumah tangga. Untuk mengatur
tegangan keluaran sistem tetap konstan maka
diperlukan pengaturan dengan metode kontrol PI yang
digunakan untuk mengatur besarnya penyulutan pada
IGBT pada boost konverter. Kontrol PI ini dibuat dari
mikrokontroller AT MEGA 16 dengan bahasa
pemrograman Visual C++. Liquid crystal display
(LCD) digunakan untuk menampilkan besarnya
tegangan dan PWM yang telah terukur dari sensor.
2
Berdasarkan gambar 1 perencanaan dan
pembuatan perangkat keras pada proyek akhir
ini meliputi:
1. Perencanaan dan pembuatan rangkaian
Boost Converter
2. Perencanaan dan pembuatan rangkaian
Inverter
3. Perencanaan dan pembuatan trafo step up
II.1 Perencanaan dan pembuatan rangkaian Boost
Converter
Gambar 4. Tegangan dan arus keluaran Boost Converter
II.2
Gambar 2. Rangakaian Boost Konverter
Pada Gambar 2 merupakan rangkaian boost
converter dengan PWM untuk menyulut IGBT
boost converter. PWM untuk penyulutan Boost
Converter
dibangkitkan
oleh
rangkaian
mikrokontroller ATmega 16. Boost converter
memperoleh masukan dari baterai aki 24 Vdc dan
didesain untuk menghasilkan tegangan keluaran
sebesar 100 Volt. Berikut ini parameter-parameter
perencanaan boost konverter:
• Tegangan Input (Vin) = 24 V
• Tegangan Output (Vo) = 100 V
• Arus Output (Io) =5A
• f = 40 kHz
Dari persamaan berikut:
L=
 Vin
1
* (Vout + V f − Vin )* 
V +V
f
f
 out
C out =
  1
*
  ∆I
  L



I
* D *T
∆Q
= C .rms
∆VO
∆VO
Maka diperoleh nilai L=54,47 µH dan C= 535,38
µF.
Dengan menggunakan simulasi PSIM yang
ditunjukkan gambar 3 diperoleh bentuk gelombang
keluaran boost converter seperti yang ditunjukkan
pada gambar 4:
Gambar 3. Simulasi Boost Konverter dengan PSIM
Perencanaan dan pembuatan rangkaian
Inverter
Rangkaian inverter ini digunakan untuk
merubah tegangan DC sebesar 100 V keluaran
dari boost konverter menjadi tegangan AC
sebesar 70 V . Komponen semikonduktor yang
digunakan adalah
IGBT. Gambar 5.
menunjukkan gambar rangkaian inverter.
Besarnya tegangan yang keluaran inverter
bergantung pada sudut penyulutan dari base
IGBT. Pengaturan rangkaian trigger ini
dilakukan dengan Multiple Pulse Width
Modulation (MPWM).
Gambar 5. Rangakaian Inverter full bridge satu phase
Parameter multipulsa inverter :
Vin= 100 V
Vout= 70 V
50
Jumlah pulsa setengah periode () = 10
Menentukan frekuensi carrier 2 2 10 50 1000
Menentukan lebar pulsa () :
2
2
⁄ !" ⁄
⁄ $" ⁄
Sehingga,
( ) 70 (
) 100
10
0,049
8.82° .
%
&⁄
'
3
Dari parameter-parameter diatas maka melalui
PSIM rangakaian inverter dapat disimulasikan.
Bentuk rangakaian inverter ditunjukkan gambar
6 sedangkan bentuk gelombang tegangan dan
arus keluaran inverter ditunjukkan gambar 7:
Gambar 8. mulasi System keseluruhan dengan PSIM (open
loop)
Gambar 6. Rangkaian simulasi multipulsa inverter
Gambar 9. Bentuk Kurva Reaksi System
Gambar 7. Tegangan Multipulsa Inverter
II.3 Perencanaan dan pembuatan Trafo Step Up
Trafo step up ini digunakan sebagai penaik
tegangan keluaran inverter sehingga diperoleh
tegangan keluaran akhir sebesar 220 Volt. Dalam
mendesain trafo step up, yang perlu diperhatikan
adalah besarnya daya trafo beserta efisiensinya. Dari
parameter-parameter berikut ini, maka desain trafo
step up dari proyek akhir ini adalah sebagai berikut:
Pout = 450 W.
Vout = 220 V.
Vin = 70 V.
Iout = Pout/Vout
= 450/220
= 2,05 A.
Pin = 1,25*Pout ====>(Efisiensi=80%).
= 1,25*450
= 562,5W.
Iin = Pin/Vin
= 562,5/70
= 8,03 A.
II.4 Perencanaan Kontrol PI
Dalam menetukan besarnya nilai Kp dan Ki untuk
kontrol PI, pada proyek akhir ini digunakan
penalaan kontrol PI dengan metode kurva reaksi
Ziegler Nichols. Kurva reaksi ini dapat dihasilkan
dari simulasi system pada PSIM. Gambar 8.
menunjukkan simulasi system dalam kondisi open
dan Gambar 9. menunjukkan kurva reaksi dari
system sehingga dapat dicari besarnya nilai Kp,
dan Ki.
Gambar 9 menunjukkan bentuk kurva reaksi yang
disimulasikan dengan PSIM. Untuk menentukan
besarnya nilai Kp dan Ki maka dihitung nilai T dan L
berdasarkan grafik kurva reaksi dimana nilai T
merupakan nilai kurva reaksi dihitung dari nilai awal
sampai ke 66% dari keadaan mantabnya(keadaan
steady state). Dari kurva diatas maka dapat diketahui
nilai L= 1ms dan T +L= 2 ms. Dengan begitu maka
nilai Kp dan Ki beradasarkan rumus penalaan tuning
PID methode Ziegler Nichols adalah sebagai berikut:
Kp = 0.9021
Kp 0.9
Ki = 120.3
Ki = 3.33 410$5 6
Gambar 10 Betuk kurva reaksi system close loop dengan
Kp=0.5, Ki =0.015s , Vin= 24 V, Vout Rms =220,32V
Gambar 10 menunjukkan kurva reaksi system
setelah nilai Kp, Ki detuning sampai diperoleh bentuk
yang baik dengan nilai Kp=0.5 serta Ki=0.015s.
4
III. PENGUJIAN DAN ANALISA
Pada bagian ini dibahas tentang pengujian
terhadap sistem yang dibangun disertai dengan
analisa. Pengujian sistem menyangkut beberapa hal
sebagai berikut:
1. Pengujian boost converter
2. Pengujian inverter multipulse satu phase
3. Pengujian trafo step up
III.1 Pengujian Boost Konverter
Pengujian boost converter dilakukan dengan
supply tegangan dari aki 24V 60 AH dengan
menggunakan beban lampu pijar 100W-400W/220V.
Gambar 10. menunjukkan bentuk gelombang
penyulutan boost converter pada sisi base-emitter
IGBT dengan besar dutycycle sebesar 76% dan
bentuk gelombang tegangan keluaran dari boost
converter sebesar 93.20V pada saat dibebani lampu
pijar 400W/220V seperti ditunjukkan gambar 11:
Tabel 1 Data pengujian inverter multipulsa
No.
1
2
3
4
5
Vin
(V)
20.00
30.00
40.00
50.00
60.00
Iin
(A)
0.07
0.09
0.10
0.11
0.11
Vout
(V)
12.56
19.24
26.74
33.66
40.63
Iout
(A)
0.08
0.10
0.11
0.12
0.13
Pin
(W)
1.40
2.70
4.00
5.50
6.60
Pout
(W)
1.00
1.92
2.94
4.04
5.28
Efisiensi
(%)
71.77
71.26
73.54
73.44
80.03
III.3 Pengujian Trafo Step Up
Pengujian trafo step up ini dilakukan untuk
mengetahui besarnya efisiensi dari trafo step up yang
telah dirancang. Variac digunakan sebagai tegangan
input trafo dengan beban resistif load. Tabel 2
menunjukkan hasil pengujian dari trafo step up:
Tabel 2 Hasil pengujian trafo step up 70V ke 220V
Vin
(V)
70
Iin
(A)
3
Vout
(V)
215
Iout
(A)
0.75
Pin
(VA)
210
Pout
(VA)
161.25
Efisiensi
(%)
76.78
70
5
210
1.45
350
304.5
87
70
6.75
200
2
472.5
400
84.65
Berdasarkan tabel 2 diatas maka dapat diketahui
besarnya efisiensi trafo dengan menggunakan beban
resistif dan sumber tegangan sinusoidal rata-rata
82.81%.
Gambar 10. Bentuk gelombang penyulutan pada sisi base emitter
IGBT
III.4 Pengujian Sistem secara Open Loop
Pada pengujian integrasi system ini, semua
bagian dari blok-blok diagram yang telah diuji
digabungkan menjadi satu yang meliputi aki, boost
converter, inverter serta trafo pulsa. Beban yang
digunakan menggunakan lampu 100W/220V. Tabel 3.
menunjukkan hasil pengujian integrasi system.
Tabel 3 Hasil pengujian integrasi system secara terbuka(praktek)
Duty
Cycle
(%)
Vin
Accu
(V)
(A)
Vout
Boost
(V)
Vout
Inverter
(V)
1
50
2
55
24.22
1.93
48.60
23.70
2.32
53.00
3
4
60
23.00
5.02
56.60
65
22.10
6.91
62.90
5
70
21.10
10.38
6
75
21.80
15.90
No.
Gambar 11. gelombang tegangan keluaran boost converter
III.2 Pengujian Inverter Multipulse satu phase
Pengujian inverter ini menggunakan power
supply 60V 10A dengan beban lampu lampu pijar
100W220V.
Gambar 12 menunjukkan bentuk
gelombang tegangan keluaran inverter multipulsa satu
phase sedangakan Tabel 1 menunjukkan hasil
pengujian inverter multipulsa :
Gambar 12 Bentuk gelombang keluaran inverter multipulsa satu
phase
Iin
Vout
Trafo
(V)
Iout
Trafo
(A)
31.50
96.70
0.21
35.10
107.90
0.23
32.50
99.30
0.23
36.00
111.00
0.25
69.30
39.00
119.00
0.25
73.00
42.50
130.00
0.27
Tabel 4. Data integrasi system secara terbuka(perhitungan teori)
No
Duty
Cycle
Vin
Accu
Vout
Boost
Vout
Inverter
Vout
Trafo
(%)
(V)
(V)
(V)
(V)
1
50
24.22
48.44
33.87
106.35
2
55
23.70
52.67
36.83
115.65
3
60
23.00
57.50
40.21
126.26
4
65
22.10
63.14
44.15
138.63
5
70
21.10
70.33
49.18
154.43
6
75
21.80
87.20
60.98
191.47
5
Tabel5. Prosentase error (%) data praktek terhadap teori
DutyCycle
Error(%)
Error(%)
(%)
Boost
Inverter
Error
(%)
Trafo
1
50
0.33
7.00
9.07
2
55
0.63
4.70
6.70
3
60
1.57
19.17
21.35
4
65
0.38
18.46
19.93
5
70
1.46
20.70
22.94
6
75
16.28
30.31
32.10
No.
Berdasarkan Tabel 3, Tabel 4 serta Tabel 5 sistem
hanya dapat bekerja sampai batas pengujian tegangan
output 130 Volt (lihat Tabel 3). Hal ini dikarenakan
terjadinya prosentase error yang cukup besar sampai
32.10% (lihat Tabel 5). Beradasar perhitungan secara
teori seharusnya tegangan output trafo 191.47 Volt
(lihat Tabel 4). Prosentase error besar terjadi karena
desain transformer yang kurang baik (terlihat dari
bunyi trafo saat pengujian).
III.5 Pengujian Sistem secara Close Loop
Pada pengujian integrasi system secara tertutup
ini, semua bagian dari blok-blok diagram yang telah
diuji digabungkan menjadi satu yang meliputi aki,
boost converter, inverter, trafo step up, serta control
PI . Tabel 4.6 menunjukkan hasil pengujian integrasi
system secara tertutup.
Tabel 4.6 Hasil pengujian integrasi system secara
tertutup
Duty
Cycle
(%)
Vin
Accu
(V)
Iin
Accu
(A)
Vout
Trafo
(V)
Iout
Trafo
(A)
Beban
Lampu
1
49
24.40
1.41
125.70
0.09
40W/220V
2
61
No.
24.23
2.72
125.40
0.25
100W/220V
Berdasarkan Tabel 4.5 setpoint keluaran trafo
diset nilainya 125 V. hal tersebut karena diatas
tegangan keluaran 140 Volt trafo tidak sanggup
menaikkan tegangan. Sehingga diambil nilai 125Volt
sebagai setpoint sistem. Saat system dilengkapi
dengan control PI maka saat terjadi perubahan beban,
tegangan keluaran akan tetap terjaga konstan (Lihat
Gambar 13).
Gambar 13 Bentuk kurva reaksi system close
loop saat terjadi perubahan beban
Gambar 13 merupakan bentuk kurva reaksi
system secara close loop dengan beban lampu yang
berubah-ubah yang diambil melalui X-Y recorder..
Tegangan pada saat kondisi steady state sebesar
2.18Volt DC (output sensor dari tegangan keluaran
system yang senilai 125Volt AC).Dengan setpoint
125V beban awal 40W/220V diperoleh settling time
18 secon dengan kondisi kurva overdamped.
IV. KESIMPULAN
Berdasarkan data-data yang diperoleh dari
semua pengujian yang telah dilakukan dapat
disimpulkan :
1. Keluaran tegangan dari system tidak bisa
mencapai seperti yang diharapkan 220 V,
keluaran tegangan maksimal system hanya
130V dikarenakan drop tegangan pada sisi
trafo.
2. Kontrol PI dapat bekerja mengatur tegangan
keluaran konstan pada nilai 125 V dengan
nilai Kp=0.5 dan Ki=0.015s. settling time 18
second dengan beban lampu pijar 40W/220V
hingga 100W/220V.
3. Perubahan beban mempengaruhi tegangan
output dari system, dimana pada saat beban
lampu ditambah 60W/220V maka tegangan
output turun menjadi 114.6V dan dengan
control PI maka tegangan output kembali lagi
ke kondisi steady state 125 V dalam waktu 7
second. Sedangkan saat beban lampu
dikurangi 60W/220V tegangan output naik
menjadi 136.32V dan dengan control PI
maka tegangan output kembali ke kondisi
steady state 125 V dalam waktu 6 second.
V. DAFTAR PUSTAKA
[1]Muhammad H. Rhasid,“POWER ELECTRONICS
: CIRCUITS, DEVICE, AND APPLICATIONS,
2ND ED.”,PT Prenhallindo, Jakarta,1999
[2] K. Bose, Bimal , modern power electronics and
AC drives, Prentice-Hall International, Inc, 2002
[3] Mahesh A.Patel¹, Ankit R. Patel², Dhaval R.
Vyas³ dan Ketul M. Patel³, Use of PWM
techniques for Power Quality Improvement,
L.C. Institute of Technology, Bhandu,
Mahesana,Gujarat, India.
[4] Afif, Salakhudin, Rancang Bangun Inverter Satu
Fase Sebagai Daya Cadangan Rumah Tangga,
Tugas Akhir, Teknik Elektro Industri, PENSITS, 2007.
[5] Hisbullah, Umar, Rancang Bangun pengubah
DC ke AC (Inverter) Pada Pembangkit Listrik
Tenaga Angin (PLTA), Tugas Akhir, Teknik
Elektro Industri, PENS-ITS, 2007.
[6] Bramasto, Jerry, pengaturan kecepatan motor
induksi satu fasa dengan menggunakan kontrol
PI-Fuzzy untuk beban pembersih kecambah
(pembuatan inverter 1 fasa), Proyek Akhir,
Teknik Elektro Industri, PENS-ITS, 2007.